王躍楠
(晉能控股煤業(yè)集團長平公司,山西 晉城 046700)
晉能控股煤業(yè)集團長平公司53041 巷北部相連為五盤區(qū)開拓大巷(已掘),東部為5304 工作面回采煤區(qū)、5303 工作面,西部為5305 工作面(尚未布置),南部為六盤區(qū)開拓大巷(正在布置)。53041 巷設(shè)計長度為2103 m,斷面寬×高=4.5 m×3.7 m,巷道布置在3#煤層中,煤層平均厚度為5.14 m,平均傾角為5°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。
表1 53041 巷掘進的3#煤層頂?shù)装鍘r性表
53041 巷采用綜合機械化掘進,巷道已掘進至1422 m。巷道掘進至1417 m 處揭露F2 正斷層,斷層落差為2.8 m,傾角為57°,斷層處巖體主要以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、粗砂巖為主。巷道底部主要為粗砂巖,巖體厚度為1.9 m,巖石普氏系數(shù)f >5.0;巷道頂部以泥巖為主。通過鉆探發(fā)現(xiàn)該斷層對巷道影響長度為42 m。
根據(jù)巷道掘進現(xiàn)狀以及揭露斷層巖體情況,對53041 巷過F2 斷層提出了三種掘進方案:
方案一:機械強行破巖法。在過F2 斷層時采用掘進機強行截割斷層巖體。該方法優(yōu)點是無需調(diào)整巷道掘進走向,實用性強。但是由于F2 斷層巖體主要以粗砂巖為主,巖體硬度高,掘進機破巖難度大、掘進速度慢,而且設(shè)備故障率高。
方案二:仰斜掘進施工。由于F2 斷層侵入后造成斷層下盤煤體上移,仰斜掘進即調(diào)整巷道上山角度,使巷道仰斜掘進到位后巷道底板沿斷層巖體表面掘進。該方法最大優(yōu)點是減少了斷層巖體破巖量,但是在仰斜掘進時需穿層施工,受斷層影響,煤層穩(wěn)定性差,在穿層過程中很容易出現(xiàn)頂板垮落事故。同時,巷道掘進40 m 后需再次調(diào)整巷道掘進角度進行下山掘進,造成巷道坡度大,不利于后期工作面回采。
方案三:分層爆破施工。分層爆破施工先對斷層下斷面堅硬巖體進行全斷面爆破,對上斷面巖體采用松動爆破,然后再采用掘進機出矸。該方法可降低巖體強度及掘進機破巖難度,降低了設(shè)備故障率,而且掘進速度快;但是在施工過程中受爆破震動影響,圍巖穩(wěn)定性差,需對斷層區(qū)圍巖采取合理有效的支護技術(shù)。
通過三種施工方案對比分析,決定53041 巷過F2 斷層期間采用分層爆破施工工藝[1-5]。
(1)斷層底部巖體為粗砂巖,巖體硬度高,決定對該部分巖體采用全斷面光面爆破施工工藝。共計布置36 個爆破孔,其中掏槽孔4 個,深度為1.6 m;輔助孔8 個,深度為1.4 m;周邊孔24 個,深度為1.4 m。掏槽孔單孔裝藥量為1.2 kg,周邊孔及輔助孔單孔裝藥量為0.9 kg。其中掏槽孔、輔助孔、周邊孔依次填裝一支1#、3#、5#毫秒延期電雷管,延期時間為130 ms。
(2)下斷面光面爆破后對上斷面施工松動爆破孔,共計8 個孔,孔間距為0.5 m,孔深為1.0 m。鉆孔施工完后每個鉆孔內(nèi)填裝一支礦用乳化炸藥以及一支毫秒延期電雷管,每次爆破鉆孔數(shù)量為4 個。
(3)采用的乳化炸藥為礦用三級抗水性炸藥,每支藥卷裝藥量為300 g,采用正向裝藥,雷管腳線采用串聯(lián)連接方式。光面爆破孔采用水炮泥封孔,長度不得低于0.8 m,松動爆破孔封孔長度不得低于0.5 m。
由于斷層區(qū)圍巖受構(gòu)造應(yīng)力以及爆破震動影響,巷道頂板穩(wěn)定性差,易出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象,所以對原頂板支護進行優(yōu)化,采取“超前管棚注漿+自鎖式讓壓錨桿+桁架錨索”聯(lián)合支護。
由于53041 巷斷層區(qū)上部為3#煤層,煤層平均厚度為0.9 m,受采動影響煤層易垮落,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,決定在爆破施工前對頂板施工一排超前管棚注漿支護。
(1)首先對頂板施工一排支護孔,孔間距為0.4 m,共計布置9 個支護孔,孔深度為3.5 m,直徑為35 mm,鉆孔垂直迎頭煤壁布置。
(2)支護孔施工完后對中部孔及兩側(cè)幫孔分別安裝一根長度3.5 m、直徑30 mm注漿管棚支護體。支護體中部為中空狀,中部孔直徑15 mm,端部為銷尖狀。在管體四周均勻布置一排注漿射孔,孔間距為0.5 m,直徑為10 mm。支護體采用錨固劑進行錨固。其他鉆孔內(nèi)安裝一根直徑為30 mm、長度為3.5 m 的圓鋼。
(3)超前支護體安裝后,對中部及兩側(cè)超前管棚支護體內(nèi)依次安裝一根直徑為12 mm 注漿軟管,并在孔口處采用長度為0.5 m 橡膠止?jié){塞進行封堵,然后進行注漿施工。注漿液采用馬麗散與催化劑混合的有機化學(xué)材料。
由于原頂板采用的是螺紋鋼錨桿,采用端頭錨固方式,該錨桿剛性強、讓壓效果差,在斷層區(qū)圍巖內(nèi)錨固質(zhì)量差,達不到預(yù)期錨桿懸吊支護作用,所以決定在原螺紋鋼錨桿支護基礎(chǔ)上,交錯施工自鎖式讓壓錨桿。
(1)自鎖式讓壓錨桿結(jié)構(gòu)。自鎖式讓壓錨桿主要由桿體、自鎖機構(gòu)、讓壓機構(gòu)等部分組成。其中桿體長度為2.8 m,直徑為22 mm,桿體最大承載強度為455 MPa;自鎖機構(gòu)主要由自鎖片、連接套、彈簧、螺紋套管以及推桿等部分組成,如圖1 所示。讓壓機構(gòu)主要由讓壓彈簧、錨桿托盤、墊片、鎖緊螺母等部分組成。
圖1 53041 巷斷層區(qū)頂板支護示意圖(mm)
(2)支護方式。① 原頂板中每排布置5 根長度為2.5 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,優(yōu)化后將第一排1#、3#、5#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿,將第二排2#、4#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿,以此類推,自鎖式錨桿呈“三.二.三”布置方式;② 自鎖式安裝時先對桿體進行錨固,桿體錨固后依次安裝自鎖機構(gòu)、讓壓機構(gòu),最后對錨桿進行預(yù)緊,預(yù)緊力不得低于200 N·m。
受構(gòu)造應(yīng)力影響斷層區(qū)頂板在應(yīng)力持續(xù)作用下出現(xiàn)下沉、斷裂現(xiàn)象,導(dǎo)致錨桿(索)支護“疲勞”、桿體變形等,所以決定對斷層區(qū)頂板施工桁架錨索削弱頂板垂直應(yīng)力。
(1)桁架錨索支護原理。對頂板施工對稱斜角錨索,斜角大小根據(jù)頂板應(yīng)力大小進行確定。對斜角錨索安裝張拉器預(yù)緊,在預(yù)緊過程中兩根斜角錨索對頂板巖體產(chǎn)生一個垂直向上的合力,從而削弱頂板垂直應(yīng)力破壞作用。
(2)桁架錨索支護結(jié)構(gòu)。每組桁架錨索主要由兩根長度為6.3 m、直徑為21.8 m 預(yù)應(yīng)力鋼絞線,兩根圓鋼拉桿以及張拉器等部分組成。每根圓鋼拉桿長度為1.2 m,直徑為20 mm,張拉器最大張緊力為380 kN。
(3)支護設(shè)計。① 巷道掘進至1420 m 處開始施工桁架錨索,首先在相鄰兩排鋼帶之間,桁架錨索支護與鋼帶支護平行布置,布置排距為2.0 m;② 兩根錨索布置間距為2.0 m,錨索布置斜角為75°;③ 桁架錨索安裝后依次在其外露端安裝圓鋼拉桿、張拉器并進行預(yù)緊,預(yù)緊力為270 kN。
(1)對53041 巷過F2 段采取分層爆破施工工藝后,降低了斷層區(qū)巖體抗壓強度及掘進機破巖難度,巷道過斷層掘進速度由原來的2.2 m/d 提高至4.3 m/d,掘進機破巖故障率由原來的14%降低為4%。
(2)通過對斷層區(qū)采取聯(lián)合支護后,彌補原頂板錨桿(索)支護時支護質(zhì)量差、支護失效率高等不足,有效控制了F2 斷層區(qū)域頂板下沉、變形現(xiàn)象。實測采區(qū)聯(lián)合支護后斷層區(qū)頂板雖然出現(xiàn)蠕動變形,但是變形下沉量為0.17 m,相比支護前頂板下沉量減小了65%,控制在允許變化范圍內(nèi)。